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長焦鏡頭，一般是指焦距比較長，視場角較小的定焦鏡頭。在某些應(yīng)用場景中，用戶需要觀測較遠(yuǎn)的物體，在物體大小一致的情況下，往往需要用到小視場角的鏡頭。 需要指出是，長焦鏡頭是一個相對的概念。在工業(yè)鏡頭領(lǐng)域，普通定焦鏡基本都8-75mm，焦距大于75mm的，可以稱為長焦 鏡頭。

產(chǎn)品特點：
1.  長焦距設(shè)計，利于觀測遠(yuǎn)距離的物體；
2.  固定光圈，抗震結(jié)構(gòu)，具備較佳的穩(wěn)定性；
3.  最大焦距達(dá)400mm，最大像面達(dá)1"。

參數(shù)：

鏡頭是成像部件，它收集被觀測物體發(fā)出的光，在后方成像。鏡頭配合相機使用，相機是記錄鏡頭所成像的部件，相機本身不能成像。
鏡頭有許多參數(shù)，可以根據(jù)實際使用需求選擇合適的參數(shù)。
以下是鏡頭參數(shù)的解釋說明。

1. 焦距

焦距是指鏡頭的光學(xué)中心（光學(xué)后主點）到成像面焦點的距離，平行光通過鏡頭匯聚于一點，這個點就是所說的焦點，是鏡頭的重要性能指標(biāo)。
一般常用的工業(yè)鏡頭的焦距為8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm等。
焦距是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式。
焦距的大小決定著視場角的大小，焦距數(shù)值小，觀察的范圍大；焦距數(shù)值大，視場角小，觀察范圍小。

圖1：鏡頭焦距與工作距離選擇

焦距f ÷ 工作距離 WD = 傳感器橫向尺寸 ÷ 橫向視野尺寸 = 傳感器縱向尺寸 ÷ 縱向視野尺寸

后焦距：鏡頭最后一個鏡片表面頂點到焦點的距離。因?qū)箷r鏡頭后鏡片可能移動，一般標(biāo)注無窮遠(yuǎn)對焦時的后焦距，也就是最小后焦距，有限距離成像時后焦距會增大。

2. F值
光圈F值又稱為光圈數(shù)，是鏡頭焦距與有效孔徑(即光圈)之比。

F值衡量光學(xué)系統(tǒng)通光量的大小。

圖2：光圈與景深

      

       
使用某一款相機，在相同工作距離下拍攝，不同焦距的鏡頭也會有不同的視場角。

圖4：同款相機，相同工作距離，不同焦距的拍攝效果（注：圖中所標(biāo)為水平視場角）

視場角與焦距有關(guān)，如下圖片：視場角與鏡頭焦距。

圖5：鏡頭焦距與視場角

       理想的鏡頭成像，物平面與像平面上的放大倍率是固定的，但實際這一性質(zhì)只有在圖像中心區(qū)域的小視場才具備。圖像的放大倍率會隨著視場增大而變化，使成像產(chǎn)生失真。
       鏡頭對被攝物體所成的像相對于物體本身的失真程度稱為畸變。
通常分為兩種：
       枕形畸變：鏡頭成像畫面呈向中間收縮的失真現(xiàn)象。
       桶形畸變：鏡頭成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象。

圖6：枕形畸變與桶形畸變

 

       畸變會使圖像變形，但不影響成像分辨率，可以使用軟件校正。

 

5. 接口
       相機和鏡頭的連接方式即為鏡頭的光學(xué)接口，業(yè)內(nèi)對于光學(xué)接口已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。例如CS口、C口、F口。在工業(yè)應(yīng)用中，一般C口和CS口用在小傳感器尺寸相機上，F(xiàn)口用在大傳感器尺寸相機上。此外，還有線陣相機常用接口M42、M58、M72等，顧名思義這些就是某個直徑的螺紋口。

 

卡口	機身相場定位(法蘭)距離	接口類型
C	17.526mm	螺紋M25.4×0.8
CS	12.5mm	螺紋M25.4×0.8
F	46.5mm	三爪卡口
M42（SLR型）	45.5mm	螺紋M42×1
M42（T型）	55mm	螺紋M42×0.75
M58	11.48mm	螺紋M58×0.75
M72	11.48mm	螺紋M72×0.75

表2：鏡頭接口規(guī)格

 

 

6. 最大傳感器尺寸

       鏡頭在像平面的成像是圓形，但接收圖像的傳感器通常為矩形，所以最終保存的圖像是矩形。鏡頭成像尺寸會以通用尺寸的傳感器設(shè)計，使得圓形像外接矩形傳感器，這個傳感器尺寸就是該鏡頭的最大傳感器尺寸。
       如果使用更大尺寸的傳感器，四個角會在鏡頭圓形像之外。
       可以使用更小尺寸的傳感器，傳感器只采集到圓形像較小區(qū)域，視場和視場角會變小。
 

(左圖) 圖7：視場角與傳感器  、  （右圖）圖8：像圈外接在匹配的傳感器四角
            

       入瞳距離：入瞳是限制入射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像；入瞳距離是入瞳與鏡頭第一個鏡片表面的距離。
       入瞳直徑：孔徑光闌對前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像的大小。
       出瞳距離：出瞳是限制出射光束的有效孔徑，是孔徑光闌被后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像；出瞳距離是出瞳與鏡頭最后一個鏡片表面的距離。
       出瞳直徑：孔徑光闌對后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像的大小。

       孔徑光闌

圖9：入瞳與孔徑光闌

 

       鏡頭中對入射光束有限制作用的，如透鏡邊緣，螺紋，鏡筒壁等，都可以稱為光闌。
       如圖，1，2鏡片邊緣，3光圈都可以限制入射光束，圖中能通過1號鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入2號鏡片，通過2號鏡片的光束只有一部分能進(jìn)入3號光圈，所以3號光圈最終限制能進(jìn)入鏡頭成像的光束大小。
       最終限制鏡頭入射光束大小的光闌稱為孔徑光闌。
       表示孔徑光闌的大小并非實際尺寸，而是通過前方或后方所有光學(xué)元件成像的大小。圖中，在A點觀測時，3號光圈被1號和2號透鏡放大成4號虛像，A點發(fā)出的光經(jīng)1號2號透鏡進(jìn)入3號光圈，與光從A點直接進(jìn)入4號等效。把光圈對兩個透鏡所成的4號像稱為入瞳。
       孔徑光闌被前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像，叫做入瞳，像的直徑為入瞳直徑。
       孔徑光闌被后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像，叫做出瞳，像的直徑為出瞳直徑。

 

8. 光學(xué)總長
       鏡頭第一片鏡片表面到像平面的距離。

圖10：光學(xué)總長

 

9. 放大倍率

 

       是指物體通過鏡頭在焦平面上的成像大小與物體實際大小的比值。定焦鏡頭一般成倒像，放大倍率帶負(fù)號。
       對同一個鏡頭而言，光學(xué)倍率與被拍攝物體距離鏡頭的遠(yuǎn)近有關(guān)；在最短工作距離對焦時，光學(xué)倍率最大。

 

8mm 2/3" 5M 定焦鏡頭  對焦距離與放大倍率
對焦距離	放大倍率	前景深(mm)	后景深(mm)	對焦距離	放大倍率	前景深(mm)	后景深(mm)
100mm	-0.072	1.019	1.066	350mm	-0.023	17.924	21.972
150mm	-0.050	2.392	2.552	400mm	-0.020	23.241	29.297
200mm	-0.039	6.366	6.984	500mm	-0.016	35.204	50.558
250mm	-0.031	12.981	16.026	750mm	-0.011	70.795	81.776
300mm	-0.026	26.267	14.553	1000mm	-0.008	160.004	160.975

 

表4：對焦距離與放大倍率

 

 

10. 景深

 

       鏡頭對某一物平面對焦后，在對焦平面的前后都有一段能清晰成像的范圍，分別稱為前景深和后景深。
       景深=前景深+后景深；

圖11：景深

 

       像方彌散圓：成像光束未會聚于一點，在像平面上形成一個擴散的圓形投影，稱為彌散圓。
       景深ΔL=ΔL1+ΔL2
              δ：彌散圓直徑；
              f ：焦距；
              F：光圈F值；
              L：工作距離；

       減小光圈（增大F值）、增加工作距離、選擇小焦距鏡頭均可使景深增加。

11. 工作距離

       指從鏡頭前部到被觀測物體的距離。

12. 主光角CRA

       鏡頭CRA，表示鏡頭主光線與光軸的夾角。主光線是從被觀測物體發(fā)射，經(jīng)孔徑光闌的中心到成像的光線。
       傳感器CRA：可以聚焦到像素上的光線的最大角度。超過此角度的光束不能被傳感器接收。
       一般要求鏡頭CRA不大于相機傳感器CRA。

圖12：傳感器主光角

a.像素上方聚光透鏡，b.金屬導(dǎo)線，c.光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。

       圖中1號光線主光角超過傳感器CRA，光線無法到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域；2號3號主光角小于傳感器CRA，光線可以到達(dá)光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。

 

13. 分辨率
       鏡頭的分辨率是指鏡頭可以分辨兩個靠近的點的能力，也稱為解析力。鏡頭分辨率通常使用MTF曲線表征。MTF曲線表示空間頻率與傳遞函數(shù)值的關(guān)系。空間頻率是每mm線對數(shù)，可以代表兩個點的靠近程度。傳遞函數(shù)代表反差即能分辨出兩個靠近點的程度。
       傳感器分辨率一般指橫向與縱向像素數(shù)乘積，如500萬像素，傳感器橫向與縱向像素數(shù)為2560×1920。單個像素即像元的尺寸，與傳感器的尺寸和分辨率相對應(yīng)?？梢愿鶕?jù)表3傳感器尺寸除以像素數(shù)量，得到像元尺寸。如2/3" 500萬傳感器，像元尺寸3.4μm。鏡頭的分辨率應(yīng)與像元尺寸匹配。通常按照線對尺寸的一半選擇像元尺寸。例如，1/1.8" 小像元鏡頭，是230lp/mm高分辨率設(shè)計，線對尺寸1000/230μm=4.34μm，匹配像元尺寸為4.24/2μm=2.17μm，可以匹配市面上2.2μm的傳感器。選擇比2.2μm小的像元，并不能帶來更豐富的細(xì)節(jié)。

 

14. MTF曲線

       橫軸表示空間頻率，即每mm線對數(shù)?？v坐標(biāo)表示傳遞函數(shù)，數(shù)值為1，線對對比明顯，可清晰分辨；數(shù)值為0，線對沒有反差無法分辨。
       圖14中有多條曲線，每條曲線都標(biāo)注像高。0mm表示軸上MTF數(shù)值，4.5mm表示軸外像高4.5mm的MTF數(shù)值。不同像高的MTF曲線趨勢一致不分散，表示鏡頭軸上軸外一致性高。黑色直線代表受衍射極限限制的MTF數(shù)值。
       在低頻空間的MTF反應(yīng)鏡頭反差，高頻空間的MTF反應(yīng)鏡頭分辨率。理想的成像鏡頭MTF曲線應(yīng)緩慢下降。
 

圖13：1/1.8"小像元鏡頭MTF曲線
 

 

15. 其他解釋

 

       變焦：當(dāng)不方便通過改變工作距離來控制成像大小時，可以更換其他焦距的鏡頭，或者使用變焦鏡頭。變焦鏡頭比定焦鏡頭多一個調(diào)焦環(huán)，旋轉(zhuǎn)調(diào)焦環(huán)可以改變視場角，當(dāng)工作距離不變時，可以改變成像的大小。

 

       對焦：定焦鏡頭的焦距是固定不變的，當(dāng)改變工作距離，手動調(diào)節(jié)鏡頭使成像清晰的過程稱為對焦。定焦鏡頭一般有兩個轉(zhuǎn)環(huán)：對焦和光圈調(diào)節(jié)。

 

       調(diào)焦：在使用定焦鏡頭時，通常所說的調(diào)焦，其實是對焦。通過旋轉(zhuǎn)對焦環(huán)，使成像清晰。

       對焦與調(diào)焦的區(qū)別： 對焦過程不會改變視場角，即不會改變視場范圍，工作距離確定后對焦不會改變成像大小；變焦鏡頭調(diào)焦時會改變視場角（視場范圍，放大倍率，成像的大小），一般調(diào)焦完成，需要再次對焦成清晰的像。

       焦距，工作距離與放大倍率：

（圖左）圖14：相同鏡頭，工作距離增大，放大倍率減小 、 （圖右）圖15：相同工作距離，小焦距鏡頭，放大倍率小；大焦距鏡頭，放大倍率大

          

 

在實際應(yīng)用中，可以通過調(diào)節(jié)工作距離，或者更換不同焦距的鏡頭，來改變圖像大小。